介入計画と訓練のための3Dプリント心血管ファントムの開発と評価

要約

ここでは、マルチモーダル療法評価、介入前計画、心血管解剖学に関する医師訓練のための模擬循環セットアップの開発を紹介する。患者固有の断層図スキャンの適用と、このセットアップは、個別化医療における治療アプローチ、トレーニング、および教育に最適です。

要約

カテーテルベースの介入は、心血管病変の標準的な治療オプションです。したがって、患者固有のモデルは、医師のワイヤースキルの訓練だけでなく、介入手順の計画を改善するのに役立つ可能性があります。本研究の目的は、心血管介入のための患者固有の3Dプリントモデルの製造プロセスを開発することであった。

3Dプリント弾性ファントムを作成するために、異なる3Dプリンティング材料を、機械的特性の点でブタの生物学的組織(すなわち大動脈組織)と比較した。比較引張試験に基づいて継手材料を選択し、特定の材料厚さを定義した。匿名化されたコントラスト強化CTデータセットを遡及的に収集した。患者固有の容積モデルをこれらのデータセットから抽出し、その後3Dプリントした。脈動流ループは、介入中の内流動をシミュレートするために構築された。臨床画像検査に対するモデルの適合性は、X線画像、CT、4D-MRIおよび(ドップラー)超音波検査によって評価された。X線ベースのイメージングで視認性を高めるために、コントラスト媒体を用いた。医師の訓練や介入前の治療計画において、3Dプリントされたファントムを評価するために、異なるカテーテル法が適用された。

印刷モデルは高い印刷解像度(〜30μm)を示し、選択した材料の機械的特性は生理学的バイオメカニクスに匹敵する。物理モデルとデジタルモデルは、基礎となる放射線データセットと比較して高い解剖学的精度を示した。印刷モデルは、超音波画像化だけでなく、標準的なX線に適していました。ドップラー超音波検査と4D-MRIは、ネイティブデータに一致する流れパターンとランドマーク特性(すなわち、乱流、壁せん断応力)を表示しました。カテーテルベースの検査室では、患者固有のファントムはカテーテル化が容易であった。難解性解剖学(先天性心疾患(CHD)など)に対する介入処置の治療計画と訓練が可能であった。

柔軟な患者固有の心血管ファントムを3Dプリントし、一般的な臨床画像技術の適用が可能であった。この新しいプロセスは、カテーテルベースの(電気生理学的)介入のためのトレーニングツールとして理想的であり、患者固有の治療計画に使用することができます。

概要

個別化された治療法は、現代の臨床現場でますます重要性を増しています。本質的には、遺伝的アプローチと形態学的アプローチの2つのグループに分類することができます。独自の個人DNAに基づく個別化療法の場合、ゲノムシーケンシングまたは遺伝子発現レベルの定量化のいずれかが必要^{である 1}.1つは、腫瘍学、例えば、代謝障害治療²においてこれらの方法を見つけることができる。各個体の独自の形態(すなわち解剖学)は、介入、外科、補生医療において重要な役割を果たす。個別化プロテスと介入/手術前療法計画の開発は、今日の研究グループの中心的な焦点を表す^3,4,5.

工業用プロトタイプ生産から来て、3Dプリンティングは、パーソナライズされた医学のこの分野^{に最適です 6}.3Dプリントは、添加物製造方法として分類され、通常は材料の層ごとの堆積に基づいています。今日では、さまざまな印刷技術を持つ多種多様な3Dプリンタが利用可能であり、ポリマー、生物学的、または金属材料の処理が可能になっています。3Dプリンタの継続的な普及と同様に、印刷速度の向上により、製造コストは徐々に安価になってい....

プロトコル

倫理的承認は、ルードヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘンの倫理委員会によって検討され、この研究で使用された放射線データセットが遡及的に収集され、完全に匿名化されたことを考えると放棄された。

特に、使用されるLVAD心室およびフローループの金属部品に関する研究所のMRI安全ガイドラインを参照してください。

1. データ取得

1. 解剖学的ファントムを作成する前に、好ましくは心血管分野の患者から適切な放射線データセットを選択する。仮想 3D モデルは、両方のコンピューター断層撮影 (CT) または磁気共鳴画像 (MRI) データセットから派生できます。
2. 3D モデルで表現する構造のサイズに合わせて、データセットのピクセル サイズとスライスの厚さ (ST) を選択します。この実験では、512 x 512のマトリックスサイズと500mmの視野を持つ0.6mmのSTを使用し、0.98mmのピクセルサイズを導いた。ピクセルサイズとSTの両方の値は、画像と3Dモデル(例えば、乳児のデータセットや冠動脈の表現の場合は<0.3mm)で見るべき最小の特徴のサイズより小さい値以下にする必要があることを確認してください <。
3. 成人患者の場合、ST 0.6 mmのデュアルソーススパイラル技術でCT血管造影(CTA)の標準的な取得を行います。成人の場合、4 mL/sの速度でヨウ素造影剤を80 m....

結果

説明された代表的な結果は、計画、トレーニング、またはテストの設定で一般的に使用されるいくつかの心血管構造に焦点を当てています。これらは、ST 1.0 mm、ボクセルサイズが 1.0 mm³ の等方性 CT データセットを使用して作成されました。大動脈瘤モデルの壁厚さは、印刷材料の比較引張試験結果に準拠した2.5mmに設定されました(引張強度:0.62±0.01 N/mm^2;F_.......

ディスカッション

提示されたワークフローは、個別化モデルを確立し、それによって、個別の解剖学に関する医師の訓練だけでなく、事前介入療法の計画を実行することができます。これを達成するために、患者固有の断層線データは、柔軟な心血管ファントムのセグメンテーションおよび3Dプリントに使用することができる。模擬循環でこれらの3Dプリントモデルを実装することにより、異なる臨床状況を現.......

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
3-matic	Materialise AB		Software Version 15.0 - Commercial 3D-Modeling Software
Affiniti 50	Philips Medical Systems GmbH		Ultrasonic Imaging System
Agilista W3200	Keyence Co.		Polyjet 3D-Printer with a spatial resolution of 30µm
AR-G1L	Keyence Co.		flexible 3D-Printing material
Artis Zee	Siemens Healthcare GmbH		Angiographic X-ray Scanner
cvi42	CCI Inc.		Software Version 5.12 - 4D Flow Analysis Software
Diagnostic Catheter, Multipurpose MPA 2	Cordis, A Cardinal Health company		Catheter for pediatric training models, Sizes 4F for infants and 5F for children, young adults
Excor Ventricular Assist Device	Berlin Heart GmbH		80 -100ml stroke volume
Imeron 400 Contrast Agent	Bracco Imaging		CT - Contrast Agent
IntroGuide F	Angiokard Medizintechnik GmbH		Guidewire with J-tip; diameter: 0.035" length: 220cm
Lunderquist Guidewire	Cook Medical Inc.		(T)EVAR interventional guidewire
MAGNETOM Aera	Siemens Healthcare GmbH		MRI Scanner
Magnevist Contrast Agent	Bayer Vital GmbH		MRI - Contrast Agent
Mimics	Materialise AB		Software Version 23.0 - Commercial Segmentation Software
Modeling Studio	Keyence Co.		3D-Printer Slicing Software
PVC tubing
Radifocus Guide Wire M	Terumo Europe NV		Straight guidewire; diameter: 0.035" length: 260cm
Really useful box 9L	Really useful products Ltd.
Rotigarose - Standard Agar	Carl Roth GmbH	3810.4
Solidworks	Dassault Systemes SE		Software Version 2019-2020; CAD Design Software
SOMATOM Force	Siemens Healthcare GmbH		Computed Tomography Scanner
syngo via	Siemens Healthcare GmbH		Radiological Imaging Software